隧道超近距离穿越桩基的影响分析

[摘要]本文以广州广佛线某区间盾构隧道超近距离侧穿人行天桥桩基为背景，采用三维数值分析方法，研究了盾构施工对该天桥桩基的影响。分析表明，盾构施工对桩基产生一定影响，但并不影响其正常使用，桩基处于安全状态。盾构现已安全通过该桩基，天桥沉降及变形监测结果均在控制范围内，与数值分析结果较为一致。本文可为类似工况下盾构隧道施工提供参考。

[关键词]盾构；超近距离；桩基；影响；数值分析

1 引言

盾构施工技术已越来越多的应用于城市地铁隧道的施工中[ 1]。而盾构施工不可避免的造成上部地层产生运动。盾构施工导致地层运动的主要机理为地层损失。所谓地层损失即是在工程中开挖土体的体积与竣工隧道的体积之差。为了弥补这一损失，周围的土体就发生地层运动，引起土层变形[ 2] 。地层损失导致周围土层变形既有竖向沉降，又有水平位移。对于盾构施工穿越邻近桩基础来说，竖向沉降会使桩基产生负摩阻力，增加桩基沉降和轴力；水平位移使基桩产生侧移和挠曲 [ 3]。

本文结合广州地铁广佛线某区间盾构隧道超近距离侧穿人行天桥桩基为背景，主要就盾构施工对天桥桩基的内力及变形影响进行分析，并根据分析结果，对盾构施工提出合理建议。

2 工程概况

广佛地铁某区间，盾构隧道侧穿石岗路人行天桥桥桩，人行天桥为单柱单桩，通过桥桩竣工图及桩位实测资料得知，桥桩为冲孔灌注桩，桩径1.5m，盾构隧道外壁与桩基外壁最小水平净距仅为0.3m，桩基外壁距盾构刀盘外缘净距不足20cm，属超近距离下穿，如图1示。

图1 隧道与桩平面位置示意图

根据地质资料，桩端处承岩含砾粗砂岩微风化层，岩层内天然湿度单轴抗压强度为20.0MPa，桩端嵌入该岩层内，桩底深入微风化1.5m，为摩擦端承桩，桩长约18m。地质剖面如图2所示。

图2 地质剖面图

盾构机穿过石岗路天桥段地层主要为： 杂填土、 淤泥层、硬塑粉质粘土，隧道通过石岗路天桥上部处于全风化粉砂岩，中部处于中风化粉砂岩，隧道下部为微风化粉砂岩。

由于隧道超近距离穿越天桥桩基，易造成桩基产生较大沉降及侧向变形，轻则使人行天桥发生不均匀沉降而发生桥面开裂，重则会导致天桥坍塌，造成人身事故。因此，需预先评估盾构推进时对该桥桩及天桥的影响。

3 三维数值模拟分析

3.1 计算模型

盾构隧道施工参数及材料参数：

如图1、图2所示：隧道中心埋深约15m，洞径D为6m，隧道钢筋混凝土管片厚度为0.3m，桩长及桩与左线隧道位置关系由根据工程实际情况确定，桩径d为1.5m。地层根据勘察报告确定，地层参数如下表1所示。

表1 模型物理力学参数

E/MPa ν γ/kN/m3 c/kPa Φ

（1） 4 0.42 20 20 15

（4-1） 10 0.33 19 21 20

（5-2） 25 0.30 19 35 20

（6） 45 0.28 20 45 22

（8） 500 0.32 23.5 1000 28

（9） 1000 0.27 24 2000 30

桩基 24 0.2 ―― ―― 2×104

计算模型如图3所示。采用位移边界条件：侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上表面取为自由边界。掘进面的压力取0.3MPa，每环的压浆量取为建筑空隙的140%～250%，注浆压力取为0.25Mpa，不考虑盾构机与周围土体的摩擦作用。盾构法施工过程采用刚度迁移法，利用激活与钝化管片单元，来模拟盾构机动态前移施工。

图3 三维数值模拟网格模型

3.2 结果分析

3.2.1 桩基位移变化分析

由图4可知，盾构隧道侧穿桩基的过程中，桩基主要以水平位移为主。由于盾构隧道开挖，土压力释放，使得靠近隧道处桩产生朝向隧道方向的位移，位移值为0.57mm，而桩顶位移则远离隧道方向，其值为1.07mm。最大位移差值为1.64mm。桩基沉降较小，为0.27mm。

（a）最大水平位移云图 （b）最大竖向位移云图

图4 最大位移云图

图5 桩基最大水平位移曲线

由图5可知，在盾构侧穿桩基前10m左右，桩还未受到扰动，尚无水平位移，自穿越前5m开始，水平位移呈线性逐步增大，盾构恰好穿越时，位移达到0.57mm，而盾构穿越后，由于管片和土体间存在空隙，且管片周边土体应力重分布，存在二次固结，因此水平位移还将有进一步增大，在盾构穿越后15m左右，位移达到最大值，约1.1mm。

3.2.2 桩基应力变化分析

由图6可知，桩基水平向最大拉应力为0.49MPa，最大压应力为1.3MPa。桩基竖向最大压应力为4.48MPa。桩基使用C30混凝土，其最大压应力限制为14.3MPa，最大拉应力限制为1.02MPa，故计算所得拉压最大应力均在限制以下，桩基是安全的。

（a） 桩基水平应力云图 （b）桩基竖向应力云图

图6 桩基应力云图

根据计算所得桩顶、桩底位移差值及单桩竖向承载力设计值（6000kN）可求得桩基在盾构穿越过程中所产生的附加弯矩，经计算附加弯矩值为9.84kN・m。该值位于较低水平，不影响桩基的正常使用。

3.2.3 盾构管片位移变化分析

计算得出，靠近桩基处管片水平最大位移为1.79mm，竖向最大位移5.39mm，变形均不大，满足变形限值要求。

由图7可知，在盾构侧穿桩基前管片水平位移呈线性逐步增大，而在盾构穿越过程中，位移有所减小，而盾构远离后，位移又增大。产生这个现象的原因是因为盾构穿越桩基时，桩对管片的水平位移有所约束，导致位移曲线产生“漏斗”。但位移量均在限值内。